Jurnal Teknik: Media Pengembangan Ilmu dan Aplikasi Teknik Vol 19, No 01, Mei 2020, Hal. 53-59 Journal homepage: http://jurnalteknik.unjani.ac.id/index.php/jt ISSN (e): 2580-2615, ISSN (p): 1412-8810
Info Makalah:
Dikirim : 03-17-20;
Revisi 1 : 04-28-20;
Revisi 2 : 05-01-20;
Diterima : 05-01-20.
Penulis Korespondensi:
Telp : +62-822-1524-4637 e-mail : [email protected]
Purwarupa Mode Konverter Rectangular Waveguide Menggunakan Double-Trench
M. Reza Hidayat1 dan Adhitya Ari Poetra2
Teknik Elekro, Universitas Jenderal Achmad Yani, Cimahi, Indonesia
1[email protected], 2[email protected]
Abstrak
Waveguide merupakan suatu alat yang berbentuk menyerupai selongsong persegi ataupun melingkar yang terbuat dari bahan konduktor tunggal. Alat tersebut dapat disisipi dielektrik untuk mengatur frekuensi tertentu atau konverter untuk mengubah mode dari gelombang yang digunakan. Penelitian ini melakukan implementasi konverter mode TE10 ke mode TMmn pada rectangular waveguide dan menggamati karakteristik dari vektor gelombang konverter serta parameter S11 dan S21. Proses pengujian dilakukan dengan mencoba beberapa rancangan dan membandingkan hasilnya, kemudian mengimplementasikannya pada alat. Simulasi dilakukan untuk mendapatkan hasil terbaik. Berdasarkan analisis dari proses simulasi menggunakan software ansoft HFSS, hasil terbaik didapatkan pada konverter mode TMmn parameter dengan rancangan double-trench belah ketupat dan frekuensi cut off 6.4 GHz. Nilai return loss sebesar -14.289 dB dan insertion loss sebesar -0.281 dB. Sedangkan pada rancangan konverter double-trench kembar didapatkan hasil frekuensi cut off sebesar 9.2 GHz dengan nilai return loss -12.878 dB dan nilai insertion loss -0.467 dB. Pada saat pengujian alat yang dilakukan menggunakan Vector Network Analyzer (VNA), frekuensi cut-off yang diperoleh adalah sebesar 7.03 GHz dengan return loss -12.68 dB, dan insertion loss -6.80 dB.
Kata kunci: konverter, Frekuensi, Insertion Loss, Waveguide, Return Loss.
Abstract
A waveguide is a device shaped like a square or circular sleeve made of a single conductor. This tool can be inserted dielectric to regulate a particular frequency or converter to change the mode of the wave used. This study implemented a TE10 mode converter to TMmn mode in a rectangular waveguide and observed the characteristics of the converter wave vector as well as parameters S11 and S21. The testing process is performed by trying several designs and comparing the results, then implementing them on the device. Simulation is conducted to get the best results. Based on the analysis of the simulation process using ansoft HFSS software, the best results was obtained in the TE10 mode converter with a rhombic double-trench design and a cut-off frequency of 6.4 GHz. The return loss value was -14,289 dB and an insertion loss of -0,281 dB. While in the twin double-trench converter design, cut-off frequency was 9.2 GHz with a return loss value of -12,878 dB and an insertion loss value of -0,467 dB. When the testing was done by using the Vector Network Analyzer (VNA), the measured cut-off frequency was 7.03 GHz with a return loss of -12.68 dB, and an insertion loss of -6.80 dB.
Keywords: converter, frequency, Insertion Loss, Rectangular Waveguide, Return Loss.
1. Pendahuluan
Saluran transmisi merupakan salah satu media yang digunakan untuk mengirim energi listrik dari satu titik ke titik lain dalam suatu rangkaian listrik (Shani, dkk, 1991). Ada beberapa saluran transmisi yang digunakan secara umum pada saat ini, seperti two wire line, kabel koaksial, balanced shielded line, mikrostrip dan waveguides (bumbung gelombang) (Yang, dkk, 1995). Waveguide merupakan suatu alat yang berbentuk menyerupai selongsong persegi ataupun melingkar yang terbuat dari bahan konduktor tunggal yang dapat disisipi dielektrik untuk mengatur frekuensi tertentu atau konverter untuk mengubah mode dari gelombang yang digunakan (Kim, dkk 2009; Holmes, dkk, 2006). Salah satu kelemahan dari waveguide yaitu mode yang digunakan tidak dapat diubah tanpa mengatur ulang rancangan. Oleh karena itu dibutuhkan konverter untuk mengubah mode dari waveguide tanpa harus mengubah rancangannya (Tzolov, dkk, 1996).
Telah diusulkan beberapa jenis mode konverter pada beberapa penelitian sebelumnya seperti multisectional load converter, angled-facet waveguide mode converters, sloped slots converter dan asymmetrical angled-facet waveguide mode converters (Rahman, dkk, 2001; Fajardo, dkk, 2018; Kanani, dkk, 2013). Beberapa contoh penelitian tersebut belum menerapkan teknik trench (pencabangan) jalur propagasi dalam mendesain konverter. Oleh karena itu pada penelitian ditargetkan penggunaan trench guna dapat mencapai keluaran return loss dari converter yang dibuat memiliki nilai >10 desibel.
Pada penelitian ini melakukan implementasi konverter mode TE10 ke mode TMmn pada rectangular waveguide dan menggamati karakteristik dari vektor gelombang konverter maupun parameter S11 dan S21. Proses pengujian
Purwarupa Mode Konverter Rectangular Waveguide Menggunakan Double-Trench
dilakukan dengan mencoba beberapa rancangan dan membandingkan hasilnya dan mengimplementasikannya pada alat dengan mengambil dari hasil simulasi yang menunjukan hasil paling baik.
2. Metode
Metode penelitian yang dilakukan pada penelitian ini yaitu merancang dan mensimulasikan mode konverter untuk rectangular waveguide dari mode TE10 menjadi mode TMmn, lalu dilakukan pembuatan dan pengujian (realisasi alat). Proses perancangan dan simulasinya mode konverter rectangular waveguide dilakukan dengan menggunakan software Ansoft HSFF dan pengujian alat yang telah dibuat yaitu pada VNA (Vector Network Analyzer). Besaran dimensi inisial dari converter ditentukan dengan menggunakan ½ dari besar jalur waveguide untuk masing-masing cabang (double trench) sebelum dilanjutkan dengan uji coba simulasi.
Perancangan Mode Konverter Rectangular Waveguide
Sebelum membuat rancangan, ditentukan terlebih dahulu bentuk yang akan digunakan dan ukuran dimensi konverter yang akan dirancang dan dianalisa dengan memperhitungkan ukuran, panjang, jarak antar trench dan lebar trench, dll. Dilakukan beberapa percobaan untuk menetukan bentuk dan ukuran dari mode konverter yang akan digunakan.
Rancangan Mode Konverter Double-trench Belah Ketupat
Dari hasil simulasi yang telah dilakukan didapat rancangan konverter yang sesuai yaitu dengan bentuk double trench berbentuk segitiga pada kedua sisi dengan lubang belah ketupat pada bagian tengan konverter dengan ukuran panjang 45 mm, lebar 76 mm, tinggi 38 mm dan bagian panjang segitiga 24 mm sama untuk setiap sisi, sudut segitiga 90o dengan ketebalan konverter sama seperti waveguide yaitu 2 mm. seperti yang ditunjukan pada Gambar 1 dan 2 berikut
Gambar 1 Rancangan Konverter Belah Ketupat
Gambar 2. Rancangan Konverter Belah Ketupat (Tampak Atas) Penyisipan Konveter Pada Rectangular Waveguide
Purwarupa Mode Konverter Rectangular Waveguide Menggunakan Double-Trench
Gambar 3 Desain Conveter yang Telah Disisipkan pada Waveguide Merealisasi Rectangular Waveguide dan Mode Konverter yang Telah Dirancang
Melakukan realisasi alat yang telah dirancang dalam bentuk fisik dari hasil proeses perancangan dengan hasil rancangan yang mendapatkan hasil yang paling baik mengunakan software Ansoft HFSS, melakukan pengujian dan melakukan analisis dari hasil pengujian tersebut.
3. Hasil dan Pembahasan
Hasil yang diperoleh untuk simulasi diambil dari hasil percobaan menggunakan software Ansoft HFSS untuk membuat konverter mode TE10 menjadi mode TMmn. Dimensi rectangular waveguide sebagai berikut, panjang 100 mm (50 mm untuk setiap bagian), lebar 76 mm, tinggi 38 mm dengan ketebalan aluminium 2 mm. Untuk mode konverter dengan dimensi panjang 45 mm, lebar 76 mm, tinggi 38 mm dan tebal 2 mm untuk bagian panjang segitiga 24 mm sama untuk setiap sisi.
Simulasi Konverter
Gambar 4 menunjukan besar magnitude pada bagian waveguide mana yang menerima magnitude dengan nilai yang tinggi dan rendah. Warna merah nenunjukan bahwa bagian tersebut memiliki nilai paling tinggi diantara bagian lainnya sedangkan biru menunjukan bahwa bagian tersebut menerima nilai paling kecil.
Gambar 4. Gelombang Magnitude pada Bagian Waveguide
Gambar 5 menunjukan arah vektor medan listrik dari waveguide. Tampak adanya lengkungan medan listrik yang diakibatkan oleh konverter yang mengubah mode gelombang dari waveguide menjadi TMmn. Perubahan tersebut terjadi karena arah dari vektor medan listrik yang bergerak menuju arah samping.
Konverter
waveguide
Purwarupa Mode Konverter Rectangular Waveguide Menggunakan Double-Trench
Gambar 5. Vektor Medan Magnet pada Bagian Waveguide
Gambar 6. Gelombang Magnitude pada Bagian Konverter
Gambar 6 menunjukan besaran magnitude pada bagian konverter yang terpusat pada bagian tengah dari konverter. Pada bagian tersebut telah menjadi pusat patul gelombang agar arah dari medan gelombang yang dikirim dapat berubah menjadi mode TMmn.
Gambar 7 menunjukan hasil frekuensi setelah menggunakan konverter didapat dua respon filter yaitu pada respon filter pertama berada pada frekuensi cut off 6.4 GHz dengan nilai return loss -14.289 dB dan nilai insertion loss -0.281 dB dan respon filter kedua berada pada frekuensi cut off 7.9 GHz dengan nilai return loss -10.827 dB dan nilai insertion loss -0.527 dB dengan demikian hasil dapat diambil dari cut-off yang lebih baik yaitu pada filter pertama dengan frekuensi cut-off 6.4 GHz.
Gambar 7. Frekuensi Konverter Rancangan Belah Ketupat
Purwarupa Mode Konverter Rectangular Waveguide Menggunakan Double-Trench digunakan saat simulasi setelah itu dilakukan melakukan perangkaan alat dengan mengelas bagian bagian yang telah dipotong hingga seperti yang ditunjukan pada Gambar 8.
Gambar 8. Realisasi Konverter dalam Bentuk Alat Pengukuran Mode Konverter
Pangukuran dilakukan menggunakan VNA yang dilakukan dengan harapan hasil dari pengukuran tidak jauh berbeda dengan hasil dari simulasi. Pengukuran pada VNA dilakukan dengan mengukur frekuensi dan respon S11 dan S21.
Gambar 9 menunjukan hasil pengukuran respon kerja S11 dengan dua respon filter yang baik, filter pertama dengan frekuensi cut-off sebesar 7.03 dan return loss -12.68 dB, dan respon filter kedua dengan dengan frekuensi cut-off sebesar 9.46 dan return loss -18.05 dB. Pada gambar 10 menunjukan hasil pengukuran respon kerja S21 dengan hasil insertion loss pada filter pertama -6.80 dB dan filter kedua -14.58 dB.
Gambar 9. Hasil Pengukuran Respon Kerja S11 Konverter
Purwarupa Mode Konverter Rectangular Waveguide Menggunakan Double-Trench
Gambar 10. Hasil Pengukuran Respon Kerja S21 Konverter
Dengan hasil yang didapat dapat diambil hasil untuk menentukan mode yang digunakan pada mode konverter yang telah dirancang. Untuk menentukan mode yang digunakan pada mode konverter digunakan rumus dan Tabel 1.
Tabel 1. Mode dari (fc)mn / fc untuk a ≥ b
Tabel 1 menunjukan respon frekuensi cut-off yang digunakan untuk menentukan mode dari waveguide yang digunakan dengan membandingkan hasil dari simulasi dan pengukuran dengan nilai frekuensi pada tabel diatas atau dengan menggunakan rumus berikut (Kita, dkk, 2018)
𝑓𝑐(𝑚𝑛) = 3×108
2 √(𝑚
𝑎)2+ (𝑛
𝑏)2 (1)
Kesimpulan
Berdasarkan hasil simulasi rancangan konverter double-trench belah ketupat telah berhasil mengubah arah medan vektor dari mode TE10 berubah menjadi TMmn.
Hasil dari simulasi frekuensi cut off 6.4 GHz dengan nilai return loss -14.289 dB dan nilai insertion loss -0.281 dB pada hasil pengukuran frekuensi cutoff sebesar 7.03 GHz dengan return loss -12.68 dB, dan insertion loss -6.80 dB. Frekuensi cutoff terjadi pergeseran sebesar 0.63 Hz dari dari simulasi, return loss memiliki nilai perbedaan 1.609 dB dan insertion loss 6.519 dB dimana hasil simulasi mendapatkan hasil lebih baik. Hal ini dapat diakibatkan karena kesalahan saat proses manufacturing konverter maupun waveguide yang digunakan.
Ucapan Terima Kasih
Penulis mengucapkan terima kasih atas organisasi Jurusan Teknik Elektro UNJANI Cimahi atas dukungannya dalam keikutsertaan dalam kegiatan ilmiah ini. Penulis juga berterima kasih kepada pada Laboratorium Teknik yang
Modes TE10 TE01
TE11
TE20 TE02
TE21 TE12 TE22
TM11 TM21 TM12 TM22
1 GHz 1 GHz 1 GHz 1,414 GHz 2 GHz 2 GHz 2,236 GHz 2,236 GHz 2,828 GHz 1.5 GHz 1 GHz 1,5 GHz 1,803 GHz 2 GHz 3 GHz 2,5 GHz 3,162 GHz 3,606 GHz 2 GHz 1 GHz 2 GHz 2,236 GHz 2 GHz 4 GHz 2,828 GHz 4,123 GHz 4,472 GHz 3 GHz 1 GHz 3 GHz 3,162 GHz 2 GHz 6 GHz 3,606 GHz 6,083 GHz 6,325 GHz
∞ 1 GHz ∞ ∞ 2 GHz ∞ ∞ ∞ ∞
Purwarupa Mode Konverter Rectangular Waveguide Menggunakan Double-Trench
Daftar Notasi Fc = Frekuensi cut-off
m = orde pertama mode waveguide n = orde kedua mode waveguide a = lebar waveguide
b = tinggi waveguide Daftar Pustaka
Fajardo, S., García-Galvan, Barranco, F. R., Galvan, V., J. C., Batlle, S. (2016). Waveguide Mode Converters,”
Intech, vol. i, no. tourism, p. 13.
Holmes, D. C., Hutchin, B. M. (2006). Realization of novel low-loss monolithically integrated passive waveguide mode converters. IEEE Photonics Technol. Lett., vol. 18, no. 1, pp. 43–45.
Kanani, P.D., Unadkat, V. M., Dave, S. P. (2013) Analysis on a Waveguide Mode Converter. vol. 1, no. 9, pp. 741–
745.
Kim, S., Takei, R., Shoji, Y., Mizumoto, T. (2009). Single-trench waveguide TE-TM mode converter. vol. 17, no.
14, pp. 11267–11273.
Kita, D. M., Michon, J., Johnson, S. G., Hu, J.(2018) Are slot and sub-wavelength grating waveguides better than strip waveguides for sensing?. Optica, vol. 5, no. 9, p. 1046. doi: 10.1364/optica.5.001046.
Rahman, A., Obayya, S. S. A., Somasiri, N., Rajarajan, Grattan, M., K. T. V. (2001). Design and characterization of compact single-section passivepolarization rotator. pp. 512– 519.
Shani, M. G. Y. Y., Alferness, R., Koch T., Koren U., Oron M., Miller, B. I. (1991). Polarization rotation in asymmetric periodic loaded waveguides. pp. 1278–1288.
Tzolov, V. P., Fontaine M. (1996). A passive polarization converter free of longitudinally-periodic structure. Optics Communications. 1996. https://www.researchgate.net/publication/238909186/
Yang S., Li, H. (1995). Numerical modelling of 8mm TM01-TE11 mode converter. Int. J. Infrared Millimeter Waves, vol. 16, no. 11, pp. 1935–1943. doi: 10.1007/BF02072549.
